【正文】 反力定義為,由附加正壓力所產(chǎn)生的作用反力定義為，絲杠螺母桿的推力為，由力平衡原理可得： （）cot=F （42）由Lsin+h+h=R得 cot= （43）絲杠螺母需施加的推力F為：F=（） （44）式中L、R、h、h如圖42所示。 絲杠螺母所產(chǎn)生的切向力 F=Ftan（）。 （45）其中=arctan；arctanu 。 （46）式中p、d分別為滾珠絲杠的導(dǎo)程 、大徑：u為絲杠與螺母之間的摩擦系數(shù)。 電機(jī)需要輸出的扭矩為T=F/ 。 （47）式中為滾珠絲杠的螺母副的傳動(dòng)效率。查表知：u=；=80%。以符號表示機(jī)器人的提供的牽引力，當(dāng)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力足夠大的時(shí)候，牽引力為： F=（）u。 (48) 式中為履帶的附著系數(shù)，近似于摩擦系數(shù)，因管道內(nèi)部環(huán)境條件，故按油潤滑條件來取值u=。 由(44),(45)，(47)可知，隨著能所適應(yīng)的管道半徑的減小，機(jī)架部分所需要的推力和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是逐漸增大的。因此，選擇機(jī)器人能所適應(yīng)的最小管道半徑R=100mm做力學(xué)分析，可以保證大管徑時(shí)管道機(jī)器人的強(qiáng)度和剛度條件。 下面是在管徑R=100mm時(shí)的，機(jī)架的力學(xué)分析的計(jì)算。估算的范圍在之間。采用的是履帶中驅(qū)動(dòng)的同種電機(jī)，額定轉(zhuǎn)矩,額定輸出轉(zhuǎn)速為。 由設(shè)計(jì)的尺寸可得h=23mm,h=51mm，L=88mm，L=L= ,p=3mm，d/2=11mm由式(43)可算出cot=。帶入式(44), 由，可算出所需要的推力的范圍為。由式（46）計(jì)算tan（）=。帶入式(45)可算出需要輸入的切向力F。帶入式（47）。由式(48)可求出管道機(jī)器人的牽引力的范圍為[85N,110N]。第5章 機(jī)架部分傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)管道機(jī)器人在管道中的運(yùn)行，傳動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)速不宜過高，所以總傳動(dòng)比：i=4 ；Ⅰ級傳動(dòng)比：i=2；Ⅱ級傳動(dòng)比：i =2，傳動(dòng)部分的初步構(gòu)想如圖51所示。圖51 機(jī)架部分傳動(dòng)系統(tǒng)三維圖 I級傳動(dòng)系齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 壽命要求和初步數(shù)據(jù) Ⅰ級圓柱齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)扭矩，高速軸轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)比i=2，使用壽命為30000小時(shí)，工作時(shí)有輕度振動(dòng)。 選用材料 小齒輪40Cr鋼，鍛件，調(diào)質(zhì)，；大齒輪45鋼，鍛件，調(diào)質(zhì)，；。 接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 軟齒輪，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)按接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 d （51）（1）齒數(shù)比 u=i=。（2）齒寬系數(shù)：直齒?。健＃ǜ鶕?jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表107）（3）載荷系數(shù) （52） ① 工況系數(shù)。（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表102） ② 動(dòng)載荷系數(shù)。取小齒輪齒數(shù)＝14；初估小齒輪圓周速度＝。＝1。（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)圖108） ③ 齒向載荷分布系數(shù)。（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)圖104） ④ 載荷分布系數(shù)。 a）大齒輪齒數(shù)＝214＝28?。?8。 b）螺旋角。（直齒） c）端面重合度＝。 （53） d）縱向重合度＝0。（直齒） e）總重合度＝；＝ 。（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)圖10－9） ⑤ 載荷系數(shù)K＝。（4）小齒輪轉(zhuǎn)矩。（5）材料彈性系數(shù)。（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表106）（6）節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)。（標(biāo)準(zhǔn)直齒）（7）許用接觸疲勞應(yīng)力 ＝ （54） ① 小齒輪接觸疲勞極限應(yīng)力 ＝720 。（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)圖1021） ② 大齒輪接觸疲勞極限應(yīng)力 ＝575 。（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)圖1021） ③ 最小許用接觸安全系數(shù)；設(shè)失效概率1/100。 ④ 小齒輪接觸應(yīng)力當(dāng)量循環(huán)次數(shù) N=60njL。 （55）n=400r/min；j=1；=30000h；＝。 ⑤ 大齒輪接觸應(yīng)力當(dāng)量循環(huán)次數(shù)N=/i=。 ⑥ 大、小齒輪接觸壽命系數(shù)k=k=1。（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)圖1019） 小齒輪許用接觸疲勞應(yīng)力：===720（N/mm）。 （56） 大齒輪許用接觸疲勞應(yīng)力：===575（N/mm）。 （57） 從上兩式中取小者作為許用接觸疲勞應(yīng)力：。（8）中心距，小、大齒輪的分度圓直徑，齒寬和模數(shù) d=＝。 （58） 中心距a(1+i)=14(1+2)=21mm；圓整為a=21mm。 （59） 模數(shù)m＝＝；取m＝1mm。 （510） ，取14，初選正確；Z=28。 （511） 于是＝＝14mm；＝＝28mm。 （512）齒寬。 （513）取小齒輪寬度b=12mm，大齒輪寬度為b=。 參數(shù)的修正（1）動(dòng)載荷系數(shù)k 小齒輪實(shí)際圓周速度 。 （514） 與初估=，值無需修正。（2）載荷系數(shù)K及其他參數(shù)均未變，均無需修正。（3）直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的幾何尺寸及參數(shù)保持不變。 彎曲強(qiáng)度校驗(yàn)計(jì)算 （515）（1）基本尺寸 K=；＝300；＝600。 b=；=14mm； ＝28mm；=m=1mm。（2）齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表105） 小齒輪齒形系數(shù)，大齒輪齒形系數(shù)。 小齒輪應(yīng)力校正系數(shù)，大齒輪應(yīng)力校正系數(shù)。（3）許用彎曲疲勞應(yīng)力 = （516） ① (根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)圖1020)小齒輪彎曲疲勞極限應(yīng)力，大齒輪彎曲疲勞極限應(yīng)力。 ② 最小許用彎曲安全系數(shù) 保失效概率。 ③ 彎曲壽命系數(shù) =；=；K=K=。（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)圖1018） ④ 彎曲疲勞應(yīng)力 ===（N/mm）。 (517) ===(N/mm)。 (518) =YY==(N/mm)。 (519) =YY=（N/mm）。 (520)因?yàn)?；；所以校?yàn)合格 。 標(biāo)準(zhǔn)齒輪h=1，C=；小齒輪的變?yōu)橄禂?shù)x==；齒頂圓直徑d=Zm+2（ h+x）m；齒根園直徑d=Zm2（ h+ Cx）m；齒全高h(yuǎn)=（2 h+ C）m。根據(jù)上述計(jì)算，齒輪數(shù)據(jù)如表51。 表51 一級齒輪組的具體數(shù)據(jù)項(xiàng)目單位小齒輪大齒輪中心距模數(shù)1傳動(dòng)比2端面壓力角20齒數(shù)1428齒寬12分度圓直徑1428齒高齒頂圓直徑30齒根圓直徑節(jié)圓直徑 Ⅱ級傳動(dòng)系齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 壽命要求和初步數(shù)據(jù)Ⅱ級圓柱齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)扭矩，高速軸轉(zhuǎn)速n=200rpm，傳動(dòng)比i=2，使用壽命為30000小時(shí)，工作時(shí)有輕度振動(dòng)。 選用材料 采用7級精度軟齒閉式圓柱直齒輪；小齒輪40Cr鋼，鍛件，調(diào)質(zhì)，；大齒輪45鋼，鍛件，調(diào)質(zhì)，；。 接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 因?yàn)槭擒淉X輪，故根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)按接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 d (521)（1）齒數(shù)比 u=i=2。（2）齒寬系數(shù)：直齒取＝。（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表107）（3）載荷系數(shù)。 (522) ① 工況系數(shù)。（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表102） ② 動(dòng)載荷系數(shù)。取小齒輪齒數(shù)＝14；初估小齒輪圓周速度；＝。＝1。（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)圖108） ③ 齒向載荷分布系數(shù)。（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表104） ④ 載荷分布系數(shù)。 a）大齒輪齒數(shù)＝214＝28取＝20。 b）螺旋角。（直齒） c）端面重合度＝。 (523) d）縱向重合度＝0。（直齒） e）總重合度＝；＝ 。 ⑤ 載荷系數(shù)K＝。（4）小齒輪轉(zhuǎn)矩=600（）（5）材料彈性系數(shù)（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表106）（6）節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)直齒）（7）許用接觸疲勞應(yīng)力 ＝ (524) ① 小齒輪接觸疲勞極限應(yīng)力＝720 。（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)圖1021） ② 大齒輪接觸疲勞極限應(yīng)力＝575 。（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)圖1021） ③ 最小許用接觸安全系數(shù),設(shè)失效概率1/100 。 ④ 小齒輪接觸應(yīng)力當(dāng)量循環(huán)次數(shù)N=60njL。 (525)＝200r/min；L=30000h；＝。 ⑤ 大齒輪接觸應(yīng)力當(dāng)量循環(huán)次數(shù)N=/i=。 ⑥ 大、小齒輪接觸壽命系數(shù) k=k=1。（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)圖1019） 小齒輪許用接觸疲勞應(yīng)力：===720 (N/mm)。 (526) 大齒輪許用接觸疲勞應(yīng)力：===575(N/mm)。 (527) 從上兩式中取小者作為許用接觸疲勞應(yīng)力：。（8）中心距，小、大齒輪的分度圓直徑，齒寬和模數(shù) d=＝。 (528) 中心距 a(1+i)=14（1+2）=21mm圓整為a=21mm。 (529) 模數(shù)m＝＝；取m＝1mm。 (530) Z==14，取14，初選正確；Z=28。 (531)于是＝＝14mm；＝＝28mm。 (532)齒寬b===。 (533) 取小齒輪寬度b=12mm，大齒輪寬度為b=。 參數(shù)的修正（1）動(dòng)載荷系數(shù)k 小齒輪實(shí)際圓周速度v== (534) 與初估=，值無需修正。（2）載荷系數(shù)K及其他參數(shù)均未變，均無需修正。（3）直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的幾何尺寸及參數(shù)保持不變。 彎曲強(qiáng)度校驗(yàn)計(jì)算 (535)（1）基本尺寸 K=；＝600；＝1200。 =14mm； ＝28mm；=m=1mm。（2）齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù) 小齒輪齒形系數(shù)，大齒輪齒形系數(shù)（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表105） 小齒輪應(yīng)力校正系數(shù)，大齒輪應(yīng)力校正系數(shù)。（3）許用彎曲疲勞應(yīng)力 = (536) ① (根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)圖1020)小齒輪彎曲疲勞極限應(yīng)力，大齒輪彎曲疲勞極限應(yīng)力。 ② 最小許用彎曲安全系數(shù) 保失效概率。 ③ 彎曲壽命系數(shù) =；=；K=K=。（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)圖1018） ===(N/mm)。 (537)===(N/mm)。 (538)=YY=(N/m